3D-Druck

Spritzgusswerkzeuge aus Kunststoff drucken

| Redakteur: Dorothee Quitter

Polyjet-Spritzgussform aus Digital ABS mit einem Bauteil aus 20-prozentigem GF-Nylon.
Polyjet-Spritzgussform aus Digital ABS mit einem Bauteil aus 20-prozentigem GF-Nylon. (Bild: Stratasys)

Für die Herstellung von Spritzgusswerkzeugen benötigt man Werkzeugformen, die aufwendig und kostenintensiv herzustellen sind. Eine wesentlich günstigere und flexiblere Alternative sind mit Polyjet hergestellte, 3D-gedruckte Werkzeugformen.

Beim Spritzgussverfahren wird Kunststoff in eine Form eingespritzt, in der dieser abkühlt und beim Aushärten die entsprechende Form annimmt. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend für die Herstellung hochpräziser, meist komplexer dreidimensionaler Bauteile und Endprodukte in großen Stückzahlen. Die Entwicklung der Werkzeugformen für dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, kosten- und zeitintensiv.

Die allgemeine werkzeugbasierte Fertigung kann in Hard- und Soft-Tooling unterteilt werden. Die Hard-Tooling-Wekzeuge werden in der Regel aus Werkzeugstahl durch CNC-Verfahren oder Funkenerodierung hergestellt. In der Serienproduktion können diese Formen Millionen von Zyklen aushalten. Allerdings kosten sie mehrere hunderttausend Dollar. Außerdem müssen für ihre Herstellung nicht Tage oder Wochen, sondern mehrere Monate eingeplant werden.

Wenn Spritzgussteile im fünfstelligen Bereich hergestellt werden müssen, kann Soft-Tooling verwendet werden. Dieses Werkzeug wird aus Aluminium gefertigt und kann kostengünstiger (rund 1.000 bis 25.000 Euro) und schneller (in 2 bis 6 Wochen) produziert werden.

3D-gedruckte Formen als Alternative zu Stahl und Aluminium

Die Herstellung von Werkzeugformen wird jedoch öfters durch mögliche Entwicklungsfehler erschwert, so dass eine Korrektur der Form erforderlich ist oder dass durch Konstruktionsänderungen mehrere Formen gefertigt werden müssen, bis die finale Konstruktion und Qualität erreicht sind. Aus diesem Grund nutzen immer mehr Hersteller 3D-gedruckte Werkzeugformen für funktionale Spritzguss-Prototypen. Stratasys bietet diese Technologie seit mehreren Jahren an.

Die Polyjet-Technologie ist ein 3D-Druckverfahren, das durch Objet-3D-Drucker von Stratasys ermöglicht wird. Mithilfe von diesem Verfahrens können Unternehmen schnell und einfach Spritzgussformen hausintern herstellen. Mit der Polyjet-Technologie werden dreidimensionale Objekte erstellt, indem flüssiges Photopolymer in der gewünschten Anordnung schichtweise aufgetragen wird. Anschließend wird der Kunststoff mithilfe von UV-Licht ausgehärtet. Nach der vollständigen Aushärtung können die Formen sofort für das Spritzgussverfahren verwendet werden, um Prototypen aus dem gleichen Material wie das Endprodukt herzustellen. Mithilfe dieser Präzisionsprototypen können Hersteller realitätsgetreue Leistungswerte sammeln, die denen des Endprodukts entsprechen.

Polyjet-Spritzgussformen sind nicht dafür ausgelegt, Soft-Tooling oder Hard-Tooling bei mittleren und großen Produktionsmengen zu ersetzen. Sie bilden die Brücke zwischen Soft-Tooling-Werkzeugen und 3D-gedruckten Prototypen.

Wichtige Merkmale für Polyjet-Werkzeuge sind:

  • Die Vorkosten für die Herstellung einer Polyjet-Werkzeugform sind relativ gering. Allerdings eignen sich Polyjet-Formen, je nach verwendetem thermoplastischen Kunststoff und Komplexität der Form, am besten für Serien bis zu 100 Teilen.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen die Herstellung von Formen Tage oder Wochen in Anspruch nimmt, können Polyjet-Formen relativ schnell innerhalb von Stunden produziert werden.
  • Im Fall von Designänderungen können neue Varianten der Form hausintern kostengünstig gefertigt werden. Berücksichtigt man noch die Geschwindigkeit des Polyjet-3D-Druckverfahrens, so sind Designern und Konstrukteuren keine Grenzen gesetzt.
  • Spritzgussformen aus dem Material Digital ABS können in Schichten mit einer Stärke von 30 Mikron und einer Genauigkeit von bis zu 0,1 mm gefertigt werden.
  • Komplexe Geometrien, dünne Wände und aufwändige Details können in der Formkonstruktion problemlos umgesetzt werden. Diese komplexen Formen sind in der Herstellung nicht teurer als einfachere Formen.
  • Für die Fertigung von Polyjet-Formen ist kein Programmieren erforderlich. Nachdem die CAD-Konstruktion in die 3D-Druckersoftware geladen ist, kann der Druckvorgang ohne manuelle Eingriffe ausgeführt werden.
  • Die Fertigungszeit für ein Bauteil mithilfe einer Polyjet-Form ist relativ kurz.

Formeinsätze mit Maschinenschrauben an einer Standardstahlbasis befestigt.
Formeinsätze mit Maschinenschrauben an einer Standardstahlbasis befestigt. (Bild: Stratasys)

Die richtige Materialwahl für Spritzgussverfahren

Entscheidend für den Erfolg beim Spritzgussverfahren mit Polyjet-Formen ist die Auswahl des richtigen Materials. Dabei ist Digital ABS von Stratasys die erste Wahl. Das Material vereint Stabilität und Belastbarkeit mit hoher Temperaturbeständigkeit. Auch andere feste Polyjet-Materialien wie Full Cure 720 und die Vero-Familie eignen sich gut für Spritzgussformen. Wenn allerdings Bauteile mit komplexen Geometrien gefertigt werden sollen, haben Formen aus diesen Materialien eine kürzere Lebensdauer als Formen aus Digital ABS.

Für die Herstellung von Spritzgussteilen sind am besten Materialien geeignet, die für entsprechende Verfahrenstemperaturen (< 300 °C) ausgelegt sind und gute Fließeigenschaften aufweisen. Optimale Kunststoffe sind:

  • Polyethylen (PE)
  • Polypropylen (PP)
  • Polystyren (PS)
  • Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
  • Thermoplastische Elastomere (TPE)
  • Polyamid (PA)
  • Polyoxymethylen oder Acetal (POM)
  • Polycarbonat-ABS-Mischung (PC-ABS)
  • Glasfaserverstärktes Polypropylen oder Harz (G)

Kunststoffe mit hohen Verarbeitungstemperaturen ab 250 °C oder mit hoher Viskosität bei der Verarbeitungstemperatur verkürzen die Lebensdauer der Form. In einigen Fällen mindern diese sogar die Qualität des fertigen Bauteils.

Anwendung der Spritzgusswerkzeuge

Gemeinsam mit dem Unternehmen Nypro Healthcare, einem Hersteller von Präzisionsprodukten aus Kunststoff für das Gesundheitswesen und die Verpackungsbranche, hat Stratasys eine Reihe von Funktionstests von Kerngehäusen und Formhohlräumen durchgeführt. Zu den Prototypen gehörten u. a. Zahnräder, verzahnte Komponenten und Verriegelungen. Im Rahmen dieser Tests wurden ABS-Mustermodelle mithilfe einer einzigen Polyjet-Form aus Digital ABS hergestellt. Dabei wurden Parameter wie Maximaldruck, Ausgleichsmengen sowie die Temperatur im Kern und in den Hohlräumen gemessen. Die Tests haben die Stabilität der Form nachgewiesen. Kriterien dafür sind der konstante Einspritzdruck, die Ausgleichsmenge und eine Temperatur, die bei Beachtung der empfohlenen Formkühlungsmethode 58 °C nicht übersteigt. Darüber hinaus bewertete Nypro die Qualität der Spritzgussprototypen als „gut“.

So sind umfangreiche und aussagekräftige Funktionstests möglich. Mithilfe dieser Technologie können erstklassige Leistungsdaten gesammelt und Zertifizierungsprozesse optimiert werden. Ebenso kann die Passgenauigkeit und Qualität des geplanten Produkts vor Beginn der Serienproduktion einfach geprüft werden. (qui)

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 42363939 / 3D-Druck)